Matériaux ferroélectriques : Qu'est-ce que c'est?
Qu'est-ce que les matériaux ferroélectriques?
Les matériaux ferroélectriques sont des matériaux qui présentent la ferroélectricité. La ferroélectricité est la capacité du matériau à avoir une polarisation électrique spontanée. Cette polarisation peut être inversée par l'application d'un champ électrique dans la direction opposée (figure 1 ci-dessous). La ferroélectricité (et donc les matériaux ferroélectriques) a été découverte en 1921 par Valasek dans le sel de Rochelle.
L'inversion de la polarité d'un matériau ferroélectrique par l'application d'un champ électrique externe est appelée "commutation".
Les matériaux ferroélectriques peuvent maintenir la polarisation même après la suppression du champ électrique. Les matériaux ferroélectriques ont certaines similitudes avec les matériaux ferromagnétiques, qui révèlent un moment magnétique permanent. La boucle d'hystérésis est presque la même pour les deux types de matériaux.
Comme il y a des similitudes, le préfixe est le même pour les deux types de matériaux. Cependant, tous les matériaux ferroélectriques n'ont pas nécessairement du fer (fer).
Tous les matériaux ferroélectriques présentent un effet piézoélectrique. Les propriétés opposées de ces matériaux sont observées dans les matériaux antiferromagnétiques.
Théorie des matériaux ferroélectriques
L'énergie libre d'un matériau ferroélectrique basée sur la théorie de Ginburg-Landau sans champ électrique et sans contrainte appliquée peut être écrite comme une expansion de Taylor. Elle est écrite en termes de P (paramètre d'ordre) comme suit
(si une expansion d'ordre six est utilisée)
Px → composante du vecteur de polarisation, x
Py → composante du vecteur de polarisation, y
Pz → composante du vecteur de polarisation, z
αi, αij, αijk → coefficients qui doivent être constants avec la symétrie cristalline.
α0 > 0, α111> 0 → pour tous les ferroélectriques
α11< 0 → ferroélectriques avec transition du premier ordre
α0 > 0 → ferroélectriques avec transition du second ordre
Pour étudier différents phénomènes et la formation de domaines dans les ferroélectriques, ces équations sont utilisées dans le modèle de champ de phase.
Généralement, il est utilisé en ajoutant certains termes tels qu'un terme élastique, un terme de gradient et un terme électrostatique à cette équation d'énergie libre.
En utilisant la méthode des différences finies, les équations sont résolues sous réserve des contraintes de l'élasticité linéaire et de la loi de Gauss.
Une transition de phase cubique à tétragonale de la polarisation spontanée d'un ferroélectrique peut être obtenue à partir de l'expression de l'énergie libre.
Il a un caractère de potentiel à double puits avec un double minimum d'énergie à P = ± Ps.
Ps → polarisation spontanée
En simplifiant, en éliminant la racine négative et en substituant α11 = 0, nous obtenons,
Polarisation et boucle d'hystérésis
Tout d'abord, nous prenons un matériau diélectrique, et un champ électrique périphérique est appliqué. Nous pouvons voir que la polarisation sera toujours proportionnelle au champ appliqué, comme représenté dans la figure 2.
Ensuite, lorsque nous polarisons un matériau paraélectrique, nous obtenons une polarisation non linéaire. Cependant, elle est une fonction du champ, comme montré dans la figure 3.
Ensuite, nous prenons un matériau ferroélectrique, et un champ électrique lui est appliqué. Nous obtenons une polarisation non linéaire.
Il présente également une polarisation spontanée non nulle sans champ périphérique.
Nous pouvons également constater que l'inversion de la direction du champ électrique appliqué peut inverser ou modifier la direction de la polarisation.
Ainsi, on peut dire que la polarisation dépendra de la condition actuelle et précédente du champ électrique. La boucle d'hystérésis est obtenue comme dans la figure 4.
Température de Curie
